《化工原理精馏》PPT课件.ppt

化工原理-蒸馏,第五章 蒸馏,分离过程在全厂的设备投资费和操作费上占很大比重。对一典型的化工厂，分离设备的投资占60-70，分离过程的能耗约占30。,5.1 概述,一、化工生产中的常规分离方法,在浓度差、压力差等推动力作用下，从一处向 另一处的转移过程-质量传递,二、相平衡,与热平衡不同之处： 达到相平衡时，一般两相浓度不相等。 达到相平衡时，传质过程仍在进行，只不过通过相界面的某一组分的净传质量为零，因此属动态平衡。,混合 液体 AB,原混合物得到部分分离,5.1 1. 蒸馏及其在工业中的应用,利用各组分挥发度的差异将液体混合物加以分离的单元操作称为蒸馏。,蒸馏的分离对象：均相的液体混合物 蒸馏分离的介质：实现部分汽化与部分冷凝所需的热量及冷量 蒸馏分离的依据：混合液体中各组分挥发度不同,精 馏,例如： 在酿酒业中饮料酒； 在石油炼制工业中，原油经蒸馏后制取汽油、煤油、柴油等产品；,四、蒸馏操作的费用 主要费用：加热和冷却费用，即能耗大,第二节 二元物系的汽液相平衡,5.2.1 相律 自由度=组分数-相数+2 即F = C +2 故双组分气液平衡物系的自由度为2，在t、p、y、x 4个变量中，任意确定其中的两个变量，则物系的状态被唯一地确定,余下的参数已不能任意选择。 一般精馏在恒压（p一定）下操作，物系只剩下1个自由度。故： 指定温度t，则气液组成y 、x均为t的函数被确定。换句话说， y 、x与t之间存在一一对应关系t y或t x ； 指定液相组成x，则气相组成y被确定，换句话说y与x之间存在一一对应关系y x。,5.2.2 双组分理想溶液的汽液平衡,P-x图（等温图）,常用液体的安托因常数A、B、C值可由有关手册查得。 注意：式中A、B、C值与p*和温度t 的单位有关。 泡点t与液相组成x之间的计算类型及算法有哪些呢？,2、泡点方程和露点方程,已知总压p 及泡点 t ，求 x。 算法：,将 t 及各组分的安托因常数代入安托因方程求出 、,将p 、 、 代入 中直接求出x，算法简便；,已知总压p及液相组成x，求泡点t。 算法：,假设一个t用安托因方程求出 、,将p、 、 代入 中求x计,比较 x计 与已知x,若x计x，说明假设t偏小，下一轮试差时t要增大；若x计 x，说明假设 t 偏大，下一轮试差时 t 要减小，试差到 x计 =x 为止，所设 t 即为所求 t。,14,杠杆原理： 力力臂 = 常数,即： 液相量L1=汽相量L2,量,浓度差,t-x(y) (等压图）,F点：tF=90；过冷液体,G点：tG=95；饱和液体,H点：tH=100；汽液共存,I点：tI=101.5；饱和汽体,J点：tJ=120；过热汽体,泡点线 液相线,露点线 汽相线,杠杆定律： M液CH=M汽HD,注意： 纯物质在一定压力下饱和温度称为沸点，是一定值，且无泡点、露点之分； 二元理想溶液在一定压力下，其泡点与露点不是定值，溶液组成不同，其泡点与露点均不同，且易挥发组分的组成x越大，泡点越小；y越大，露点越小； 即使同一组成的汽相与液相（即y=x）其对应的泡点与露点也不相同，露点大于泡点（非理想体系中的恒沸点处露点=泡点）； 汽液混合物一定符合相平衡关系，如C点液相组成x与汽相组成y成平衡关系，其温度相同，但对x来讲是泡点，对y来讲是露点。,泡点线,露点线,3、相平衡常数和气液平衡关系 把拉乌尔定律代入道尔顿分压定律可得：,注意：K称为相平衡常数，实际K并非常数。K是总压p和温度t（ 与 t 有关）的函数。,对理想物系，相对挥发度与温度关系不大，可近似认为与温度无关。,4、相对挥发度和相平衡方程,x-y图,(1)正偏差溶液 fABfAA，fABfBB，即异 分子间的排斥倾向起了主 导作用，使溶液的两个组 分的平衡蒸汽压都比拉乌尔定律所预计的高，如右图所示。,5.2.3非理想溶液的汽液相平衡,正偏差严重时形成具有最低恒沸点的溶液，下面两张分别为苯乙醇溶液的tx（y）图及yx图。,由图可知苯乙醇溶液的最低沸点tM68.3C,恒沸物的组成xM=0.552。,(2)负偏差溶液 fABfAA，fAB fBB，即异 分子间的吸引力大于同分子 间的吸引力，使得溶液中两 组分的平衡蒸汽压都比拉乌 尔定律所预计的低，如右图 所示。,负偏差严重时形成具有最高恒沸点的溶液，下面两张分别为氯仿丙酮溶液的tx（y）图及yx图。,由图可知氯仿丙酮溶液的最高恒沸点tM=64.5C，恒沸物的组成xM=0.65。,第三节 平衡蒸馏和简单蒸馏,平衡蒸馏和简单蒸馏均为单级蒸馏操作过程，通常用于混合液中各组分挥发度相差较大，对分离要求又不高的场合。,一 流程及特点,5.3.1 平衡蒸馏（闪蒸）,w,令q=W/F表示底部液相的残留率，则气化率为f =V/F= ( 1-q )上式可化为,二 平衡蒸馏计算,讨论： 在x-y图上， 代表通过点（xF，xF)的直线，其斜率为q/(q-1)。, p，,平衡线靠近对角线， yD，xW；, 汽化率f，q，则斜率，yD，xW；, 进料组成xF，则yD，xW；, 闪蒸塔中液相加热实现部分汽化，汽相进行冷却实现部分冷凝也属于平衡蒸馏过程（精馏原理）。,当xF与q已知，与汽液相平衡联立即可确定yD、xW。,热量衡算,节流减压，液体部分汽化所需的热量来自于物料放出的显热，即：,随着汽化的进行：釜内x，馏出液y， 釜内沸点。,特点：1）间歇、不稳定操作； 2）分离程度不高。,5.3.2 简单蒸馏,简单蒸馏是一非稳定过程，是间歇蒸馏方式，要求得馏出液量与组成或残液量与组成，就必须在微元时间内进行物料衡算而后积分求解。,流程,假设简单蒸馏某瞬间釜液量为L kmol、组成为x，经微分时间d后，釜液量变为L+dL、组成变为x+dx，而蒸出的馏出液量为dD、组成为y，且y与x呈平衡关系。在d时间内作物料衡算：,总物料：,易挥发组分：,dD=-dL,Lx=(L+dL)(x+dx)+ydD,2、简单蒸馏的计算,联立，并略去二阶无穷小量得：,理想溶液,且取平均值视为常数，积分可得：,总物料：,易挥发组分：,D=F-W,联立得：,馏出液的组成随时间而变，其平均组成可通过一批操作的物料衡算求得，即：,思考： 在操作压力、原料相同的条件下，若平衡蒸馏的操作温度与简单蒸馏的最终温度相同，则简单蒸馏与平衡蒸馏相比： 分离效果如何？产品量孰大？,w,y,平衡蒸馏与简单蒸馏比较,平衡蒸馏yD 简单蒸馏xD,第四节 精馏的流程和原理,5-4-1 精馏原理,精馏原理,使不平衡的汽液两相（汽相温度高、液相温度低）经过足够长时间充分接触，离开时，汽液两相达到了平衡，这个过程称为平衡级（理论板）。,平衡级定义,第一步：将单级分离加以组合,第二步：进一步消除中间产物,第三步：进一步消除中间设备,第四步：将各平衡级改为塔板， 使设备结构紧凑。,精馏是利用回流手段、经过多次平衡级过程，使物系实现高纯度分离的操作。,5-4-2 连续精馏操作流程,特点： 汽液两相浓度的变化受传质的控制而不是传热的控制。,Xn-1, yn,yn+1 Xn,理论版的概念和恒摩尔流的假设,第五节 双组分混合液连续精馏的计算和操作分析,基于恒摩尔流假设，则所有变量单位采用mol为基准。,5-5-1 全塔物料衡算,定义：,塔顶产品采出率：,塔底产品采出率：,塔顶易挥发组分回收率：,塔底难挥发组分回收率：,注意： 对一定的生产任务xF为已知量，所以D/F、W/F、xD、xW中只有2个是独立的。如：确定了xD、xW那么采出率D/F、W/F确定，反之亦然； 因为= DxD/(FxF)1则 (D/F)(xF/xD)，故当xF、xD确定时，采出率(D/F)的极限值就已确定；反之，xD(FxF/D)、 (D/F)确定时， xD的最大极限值就已确定。,5-5-2 精馏段物料衡算和操作线方程,对虚线划定的范围进行物料衡算,操作线过点a（xD、xD）、c（0、xD/R+1）两点。,且操作线为斜率小于1的直线。,思考： 操作线斜率大，对精馏是否有利？,上式是由精馏段物料衡算得到的，反映的是精馏段由下一块理论板上升的汽相组成 y 与上一块板下降的液流组成 x 之间的关系，称为精馏段操作线方程.,操作线斜率大，意味着经过一块理论板后，汽相的增浓程度变大，液相的减浓程度变大。,5-5-3 提馏段物料衡算和操作线方程,根据精馏段中物料衡算的方法，同样可以获得提馏段中的物料衡算式：,上式反映的是提馏段中下一块理论板上升的汽相组成 y 与上一块板下降的液流组成 x 之间的关系，称为提馏段操作线方程。,V L,提馏段操作线方程特点：,令进料中： 液相所占的摩尔分率为q； 气相所占的摩尔分率为(1-q)。,1、进料板物料衡算,5-5-4 进料板物料衡算、热量衡算和进料方程,q的意义：单位进料流量（1kmol/h）所引起的提馏段与精馏段下降液体流量之差值（kmol/h）。,进料若为液体（饱和，过冷）则其组成与进料组成xF相同，若为蒸汽进料（饱和、过热），则其蒸汽组成与进料组成相同；但是汽液混合进料时，其汽相、液相组成均不等于进料组成xF，而是总组成为xF，若汽液混合物中液相组成为x，汽相组成为y，那么由物料衡算有：,即,液相组成x与汽相组成y混合进料，x与y符合相平衡关系：,结合以上两式求得汽液混合进料时汽相与液相的组成y 与x 。,2、进料板热量衡算,工程上忽略温度对焓值的影响，即,3进料热状况的影响,(a)过冷液体：,对过冷液体（全部为液体）但 q1，q1，其物理意义可理解为：料液入塔后在加料板上与提馏段上升的蒸汽相遇，即被加热至饱和温度，与此同时，蒸汽本身有一部分被冷凝下来，使,(b)饱和液体：,泡点进料,(c)饱和液、汽混合物：,(d)饱和蒸汽：,露点进料,(e)过热蒸气：,4、进料方程或q线方程,精馏段与提馏段操作线交点的轨迹方程。,d,直线过点a（xD、xD）、c（0、xD/R+1）,直线过点f（xf、xf）且斜率为 q/(q-1), 与精馏操作线交于点d。,直线过点b（xb、xb）、d。,-q线方程,5-5-6 理论塔板数N的计算,1 逐板法(塔顶全凝器，泡点回流，塔底间接蒸汽加热）,（说明第n块板为理论加料板）,说明：（1）xnxF与xnxd 逐板计算中， xn指板上的液相组成，而xF指进料总组成，仅当泡点进料，q=1时，进料板上液相组成等于 xF， q 1 时， 进料板液相组成不等于 xF，应用精馏段和提馏段操作线交点的横左标xd代替。如图。,再沸器实现了部分汽化相当于一块理论板，L=V+W，xw与yw呈平衡关系。精馏段塔板数为n-1；提馏段塔板数为m（不含再沸器）；进料板为第n块。 这种方法适用于相平衡关系可写成数学表达式的场合。,（2）计算过程总共用了n+m次相平衡关系，因而全塔所需的理论板数N = n + m块（包括再沸器）。为什么再沸器也相当于一块理论版呢？,2 图解法 步骤： 在xy图中作出平衡线与对角线； 在x轴上定出xD、xF、xw的点，并通过这三点作垂线定出对角线上的点a、e、c； 在y轴上定出yb=xD/(R+1)的点b，连a、b作出精馏段操作线； 由进料状况求出q线的斜率q/(q-1)，并通过点e作q线;,-麦卡勃-蒂列（Mccabe-Thiele）法，简称M-T法, 将q线、精馏段操作线的交点d与点c连成提馏段操作线cd； 从点a开始，在平衡线与精馏段操作线之间作梯级，当梯级跨过点d 时（这个梯级相当于加料板），然后在平衡线与提馏段操作线之间作梯级，直到跨过点c为止。数梯级的数目，就可以分别得出精馏段和提馏段的理论板数，同时也就确定了加料板的位置。,再沸器内进行的过程是部分汽化，xw与yw达到平衡，故相当于一次平衡蒸馏或一层理论板，则提馏段和全塔所需的理论板数应从以上得出的数目减1；如果塔顶的冷凝器不是全凝器而是分凝器，也相当于一层理论板，使得分离所需的理论板数再减一层。,应当指出：用图解法代替逐板计算法较直观，但当所需的理论板数相当多，则图解法不易准确，应采取适当的数值计算法；上述解法中应用了恒摩尔流假设，与之偏差大的物系，如水醋酸体系，误差较大，需用其他方法。,分凝器,最佳位置进料,非最佳位置进料与最佳进料的比较：进料口下移两块板,非最佳位置进料比最佳位置进料所需的理论板数多。,D, xD,W, xW,F, xF,非最佳位置进料与最佳进料的比较：进料口上移1块板,非最佳位置进料比最佳位置进料所需的理论板数多。,5-5-7 回流比的影响及选择,设计时，D一定条件下，分离要求xD、xW、分离任务如xF、F、q等确定，若R, R/(R+1), xD/(R+1) ，L/V，操作线均靠近平衡线，完成一定分离要求所需的理论塔板数N，设备投资；但R，L=RD，V=(R+1)D，V=V-(1-q)F，操作费用 。,若R，则设备投资，操作费用，故必然存在一适宜（最佳）回流比Ropt使得设备费与操作费总和最小，在经济上最合理，故在设计中回流比的选择应慎重，它是重要的设计参数。,操作时，进料量F、进料状况q、 xF等不变，精馏塔的总板数、精馏段的塔板数、提馏段塔板数不变，若R，R /(R+1)，xD /(R+1)，提馏段操作线斜率L/V，但塔板数不变只能是xD，xW，即精馏段操作线斜率增大有利于分离，分离能力提高；而提馏段操作线斜率减小有利于分离，分离能力提高；此时分离能力提高的代价是采出率减小：,1最小回流比Rmin,图解法 解析法（自学p279）,操作线、q线与相平衡线交于e点（挟点、挟紧点），此时在e点组成达平衡，塔板数逐板计算作图时在点无法越过，也就是说此时塔板数趋于无穷多，无法达到分离要求，因此实际操作的回流比不应小于等于这一最小回流比，此最小回流比用Rmin表示。,q =1时（泡点进料），xq= xF ； q =0时（露点进料）， yq= xF 。 能否用进料线与精馏段操作线方程联立求解？ 不能，它求出的是(xd，yd) ，d点不一定是